2. 真空基础与泵组选型依据
泵组选型不是“看极限真空挑泵”这么简单。真正决定一套真空系统能否在要求时间内把腔体抽到目标压力的，是四个相互耦合的量：真空度单位与量级、气体所处的流动状态、泵的抽速与管路流导，以及由它们共同决定的有效抽速。本节把这四者串成一条可计算的选型链条，并给出泵组配置对极限真空与抽气时间影响的判断方法。
一、真空度单位：先把“压力”说清楚
真空度本质上是绝对压力，不是“负压表读数”。工程上常用单位及换算关系如下：
- 1 atm = 101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr；
- 1 mbar = 100 Pa；1 Torr ≈ 133.3 Pa；
- 1 Pa = 0.01 mbar = 7.5×10⁻³ Torr。
选型时最容易出错的是把“表压”当“绝压”。例如某腔体用表压计读到 −0.09 MPa，其绝对压力约为 101 kPa − 90 kPa ≈ 11 kPa，仍处于粗真空段，远未进入高真空。因此所有抽速、流导、漏率计算都必须统一到绝对压力，并明确单位。本文后续统一采用 Pa 与 m³/s（或 L/s）作为压力与抽速单位，1 m³/s = 1000 L/s。
按压力划分，粗真空约 10⁵～10² Pa，中真空 10²～10⁻¹ Pa，高真空 10⁻¹～10⁻⁵ Pa，超高真空低于 10⁻⁵ Pa。不同量级对应完全不同的泵型与流态，这是选型的第一道分水岭。
二、气体流动状态：决定流导公式的“隐藏开关”
气体在管路中的流动状态由克努森数 Kn = λ/d 判定，λ 为分子平均自由程，d 为管道直径。λ 与压力近似成反比：压力越低，λ 越大，Kn 越大。
- 黏滞流（Kn < 0.01）：气体以整体流动为主，分子间碰撞主导，流导与平均压力成正比，常见于粗真空、前级管路；
- 过渡流（0.01 < Kn < 1）：分子间碰撞与分子—管壁碰撞并存，流导计算最复杂；
- 分子流（Kn > 1）：分子以与管壁碰撞为主，流导与压力无关，只取决于几何尺寸与气体种类，是高真空管路的主导状态。
这个判据的工程意义在于：同一根管子，在粗真空段和高真空段的流导可以相差几个数量级。若用黏滞流公式去估算高真空管路，会严重高估流导，导致选出的泵偏小、抽气时间不达标。因此选型前必须先判断目标压力落在哪个流态区间。
三、抽速与流导：串联关系决定有效抽速
泵的铭牌抽速 Sp 是泵入口处的体积流率，而腔体实际获得的有效抽速 Seff 受管路流导 C 限制。二者关系为：
1/S_eff = 1/S_p + 1/C
即 S_eff = (S_p · C) / (S_p + C)这条公式是泵组选型的核心。它说明：当 C 远大于 Sp 时，Seff ≈ Sp；当 C 远小于 Sp 时，Seff ≈ C，泵再大也没用。工程经验是让 C ≥ 5～10 倍 Sp，否则泵的能力被管路“吃掉”。
分子流下圆管流导近似为 C ≈ 12.1 · d³/L（d、L 单位 m，C 单位 m³/s，20℃空气）。例如 d = 0.1 m、L = 1 m 的圆管，C ≈ 12.1 × 0.001 / 1 ≈ 0.0121 m³/s ≈ 12 L/s。若配一台 100 L/s 的分子泵，Seff = 100×12/(100+12) ≈ 10.7 L/s，仅为泵铭牌值的约 11%。这就是“大泵配细管”的典型陷阱。
四、泵组配置对极限真空与抽气时间的影响
泵组通常由前级泵（粗抽泵）与主泵（高真空泵）串联组成。前级泵负责从大气抽到主泵可启动的压力（如分子泵通常要求入口低于 1～10 Pa），主泵负责从该压力抽到目标高真空。极限真空由主泵的极限压力、腔体漏率、材料放气率共同决定；抽气时间则由有效抽速与腔体容积、放气负载共同决定。
粗抽阶段（黏滞流）抽气时间可近似用 t ≈ (V/Seff)·ln(p₁/p₂) 估算。例如 V = 0.5 m³，Seff = 30 L/s = 0.03 m³/s，从 10⁵ Pa 抽到 10 Pa：t ≈ (0.5/0.03)·ln(10⁴) ≈ 16.7×9.21 ≈ 154 s。若管路流导不足使 Seff 降到 10 L/s，则时间增至约 460 s，差距近 3 倍。
高真空阶段还要叠加放气负载 Qout。稳态极限压力 pult ≈ Qout/Seff。若腔体总放气与漏率合计 Qout = 1×10⁻⁴ Pa·m³/s，Seff = 0.1 m³/s，则 pult ≈ 1×10⁻³ Pa。若想达到 1×10⁻⁴ Pa，要么把 Seff 提高到 1 m³/s，要么把 Qout 降到 1×10⁻⁵ Pa·m³/s（烘烤、清洁、降低漏率）。这解释了为什么高真空系统“泵不是唯一答案，放气控制同样关键”。
五、选型校核示例
把上面的关系整理成一张可填写的校核表，便于实际选型时逐项确认。表中数值为教学示例，实际项目需按真实漏率、放气率与管路几何重新计算。
| 校核项 | 示例值 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 目标压力 | 1×10⁻⁴ Pa | 高真空段，分子流主导 |
| 腔体容积 V | 0.5 m³ | 决定抽气时间 |
| 总放气+漏率 Q | 1×10⁻⁴ Pa·m³/s | 决定极限压力 |
| 所需 S_eff | ≥ 1 m³/s | S_eff ≥ Q/p_target |
| 管路流导 C | ≥ 5S_p | 避免泵能力被管路吃掉 |
| 前级泵启动压力 | < 10 Pa | 匹配主泵允许入口压力 |
| 粗抽时间 | ≈ 154 s | t ≈ (V/S_eff)·ln(p₁/p₂) |
总结本节的核心逻辑：真空度单位统一到绝压 → 用 Kn 判断流态 → 用 1/S_eff = 1/S_p + 1/C 算有效抽速 → 用 p_ult ≈ Q/S_eff 校核极限压力 → 用 t ≈ (V/S_eff)·ln(p₁/p₂) 校核抽气时间。泵组配置的优劣，最终都体现在 S_eff 与 Q 的比值上，而不是泵的铭牌数字上。